碳纤维复合材料旋转超声制孔工艺研究

发布时间：2020-11-23 09:38

　　 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因优良的力学性能、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等特点,在应用时既能作为结构件材料承担载荷,又能作为功能材料发挥作用,因而被广泛应用在诸如导弹、人造卫星、军舰、雷达、油气田钻井平台等国家战略性科技产业和体育设备、轨道交通、建筑建材等日常生活设施中。但是碳纤维复合材料是典型的难加工材料之一,其制件在加工过程中容易出现分层和毛刺等加工缺陷,且刀具磨损严重。本文围绕CFRP材料孔加工中存在的问题开展了旋转超声加工(Rotary Ultrasonic Machining,RUM)制孔工艺研究,开展的主要工作如下:首先,研究旋转超声加工的材料去除机理与优势。通过加工过程对比分析研究了旋转超声加工和传统磨削加工(Conventional Grinding,CG)的材料去除过程,探明了超声频振动在加工过程中的作用机制,并根据实验结果和文献调研总结了加工中出现的几种典型缺陷;搭建了旋转超声加工实验平台并进行了两种加工方式的磨削制孔对比实验,提出了测量缺陷角度的表层分层缺陷评价方法;将两种加工方式下得到的实验结果从表层分层缺陷、加工表面质量、切屑形态以及刀具寿命几个方面进行对比。结果表明相比传统磨削加工,旋转超声加工改变了材料的去除方式和破坏形式,增加了刀具上磨粒与材料的接触次数,更有利于纤维的剪断而能得到更优孔加工质量,同时还具有更长的刀具寿命。其次,进行CFRP的旋转超声制孔工艺研究。介绍了正交实验法,选取了工艺参数(超声振幅、进给速度、主轴转速)设计并开展了正交实验,分析了各工艺参数对加工表面质量影响规律,优化加工参数得到了表面粗糙度值Ra为1.187μm和1.171μm的加工表面。最后,探究层间分层缺陷控制策略。阐述了层间分层缺陷产生的机理,建立了临界轴向力模型和旋转超声加工过程中的磨削力模型;分析了诱导层间分层缺陷产生的因素并设计了层间分层控制策略实验,探讨了不同加工参数对层间分层缺陷的影响规律。实验结果表明相比传统磨削加工,旋转超声加工产生的层间分层厚度较薄,且增加主轴转速、降低主轴进给速度,增加支撑和变进给速度加工都能缓解分层现象的发生,其中增加刚性支撑和变进给速度加工的方式完全消除了分层缺陷。本文通过理论分析和实验研究,获知了超声在加工中的作用机制以及CFRP在孔加工过程中的缺陷形成机理,得到了一组最优表面质量的加工参数,针对加工中的分层缺陷问题给出了控制策略,为CFRP的制孔工艺提供了指导与参考。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TB559
【部分图文】：

④ 类型Ⅲ：部分未切断的松散纤维附着在切削边界上，一般发生在纤维铺层方向与切削方向角度为 0°的位置。图 2 - 2 表层分层缺陷表现形式(2) 孔壁纤维拔出和裂纹若加工过程中材料受到引起纤维和基体产生撕裂趋势的力，纤维会相对基体发生移动，从而形成基体脱粘，出现纤维拔出现象，使得加工表面形成凹坑。加工形成的纤维拔出现象如图 2 - 3（a）所示。同时，由于纤维和基体树脂的膨胀系数相差较大，当加工过程中参数选择不当，加工区域会形成局部高温，导致加工表面形成微裂纹，如图 2 - 3（b）所示。类型Ⅰ 类型Ⅱ 类型Ⅰ/Ⅱ 类型Ⅲ(b) (b)

刀具末端振幅测试

图 2 - 6 实验采用刀具振幅测试激光多普勒测振仪对安装在变幅杆上的刀具进行振幅测量， 所示。振幅测试采用的激光多普勒测振仪型号为新加坡舜宇图 2 - 7 刀具末端振幅测试
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本文编号：2894673